ITER和HL-2M装置中电阻壁模的数值研究

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磁约束核聚变的研究目标是产生高比压、稳态等离子体,以提高未来核聚能应用的经济效益。在磁约束聚变装置中,由等离子体电流或压强驱动的外扭曲模是阻碍获得更高比压的一种重要宏观磁流体不稳定性,它的特征时间尺度是微秒量级。我们定义电阻壁是电阻不为零的导体壁,理想壁是电阻为零的导体壁。理论研究表明,采用理想壁环绕等离子体,当环绕等离子体的理想壁足够靠近等离子体时,就可以稳定外扭曲模。实际上并不存在理想壁。在电阻壁条件下,外扭曲模不能完全稳定,其残留的不稳定模式称为电阻壁模,它的特征时间尺度从微秒量级增加至毫秒量级。定义磁扰动经过电阻壁扩散的时间为电阻壁模的特征时间,当先进托卡马克(高比压、大自举电流、长脉冲)的放电时间大于电阻壁模的特征时间,电阻壁模会影响到托卡马克的稳定运行,甚至造成放电终止。因此,在长脉冲稳态放电中,控制电阻壁模不稳定性非常必要。控制电阻壁模的方法主要有三种:第一种是被动控制,即通过等离子体旋转和动理学阻尼稳定电阻壁模;第二种是主动控制,即通过外加反馈线圈补偿磁场的方式稳定电阻壁模;第三种是主动和被动相结合的控制方式。本论文的主要工作为:1、基于ITER装置9 MA稳态平衡位形,使用MARS程序模拟研究等离子体旋转和反馈线圈对电阻壁模的控制,以及等离子体旋转和反馈相结合对电阻壁模的控制;2、针对HL-2M装置2MA稳态平衡位形,使用MARS程序模拟研究动理学效应等离子体旋转对电阻壁模的影响、反馈控制结合动理学对电阻壁模的影响以及反馈控制系统的随时演化问题等。本文共分为五章,主要内容如下:第一章简要介绍了研究背景,及一些磁约束聚变装置和电阻壁模的研究及其发展等。第二章简要介绍了MARS程序的发展历史和它的物理模型。第三章在ITER装置9 MA稳态平衡位形下,针对n=1的电阻壁模,利用MARS程序,先研究了等离子体旋转对电阻壁模的控制;然后采用磁通—电流的控制方式分别研究了中间组、上下两组及全部三组线圈对电阻壁模的主动控制;最后研究等离子体旋转和反馈控制对电阻壁模协同控制。第四章在HL-2M装置2 MA稳态平衡位形下,针对n=1的电阻壁模,在动理学模型下,数值研究了等离子体旋转对电阻壁模的影响。结果表明,加入动理学效应可以降低稳定电阻壁模的旋转频率阈值。然后采用磁通—电压反馈控制方式,研究了反馈控制与动理学效应的协同作用对电阻壁模的影响。最后在动理学模型下,研究了反馈系统的随时演化问题,以及稳定电阻壁模的最小电压Vfmin和等离子体旋转频率、反馈增益幅值的变化关系。第五章是对文章的总结和讨论。
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